今日頭條
官方微信
官方抖音
案例頻道
作者簡(jiǎn)介：彭瑜（1938－），男，湖南長(zhǎng)沙人，教授級(jí)高級(jí)工程師，1960年畢業(yè)于清華大學(xué)動(dòng)力系，長(zhǎng)期從事工業(yè)過(guò)程控制系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)工作，1993年獲國(guó)務(wù)院特殊津貼，現(xiàn)任中國(guó)自動(dòng)化學(xué)會(huì)儀表與裝置專業(yè)委員會(huì)常務(wù)委員，上海市自動(dòng)化學(xué)會(huì)常務(wù)理事，中國(guó)儀器儀表學(xué)會(huì)專家委員會(huì)委員。
摘 要：本文從現(xiàn)場(chǎng)總線診斷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程、物理層診斷的必要性、物理層診斷的基本原理和診斷工具、現(xiàn)場(chǎng)總線可能發(fā)生的故障類型分析和故障檢測(cè)的高級(jí)測(cè)量技術(shù)等方面，闡述保障現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)健康應(yīng)用的一個(gè)重要方向的內(nèi)涵及其擴(kuò)展。
關(guān)鍵詞：現(xiàn)場(chǎng)總線；物理層；故障；診斷
隨著現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)及其相關(guān)網(wǎng)絡(luò)設(shè)備以及現(xiàn)場(chǎng)總線儀表和設(shè)備的應(yīng)用，在質(zhì)量和數(shù)量上都有長(zhǎng)足的進(jìn)展。這些日益廣泛和深入的應(yīng)用，印證了美國(guó)ARC咨詢集團(tuán)“使用現(xiàn)場(chǎng)總線可以節(jié)省安裝和工程成本，但最大的利益還是體現(xiàn)在生產(chǎn)裝置投運(yùn)之后長(zhǎng)期的維護(hù)和運(yùn)行中”的論斷的正確性。顯然，在長(zhǎng)期運(yùn)行和維護(hù)中使用現(xiàn)場(chǎng)總線帶來(lái)的利益主要來(lái)自三個(gè)方面，即現(xiàn)場(chǎng)智能儀表和設(shè)備為工廠企業(yè)的資產(chǎn)設(shè)備管理提供了基本信息和實(shí)時(shí)信息；將現(xiàn)場(chǎng)儀表和設(shè)備的維護(hù)從被動(dòng)的遇到故障才采取維護(hù)措施，提高到實(shí)施主動(dòng)的預(yù)測(cè)性維護(hù)和預(yù)防性維護(hù)，大大減少了非計(jì)劃停車所造成損失；為生產(chǎn)的平穩(wěn)操作和加快生產(chǎn)節(jié)拍準(zhǔn)備了技術(shù)條件。
本文著重討論現(xiàn)場(chǎng)總線的故障診斷技術(shù)的問(wèn)題，特別是物理層診斷的問(wèn)題。這不但是因?yàn)榇罅楷F(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用所發(fā)生的影響現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)正常運(yùn)行的故障主要是物理層的問(wèn)題，提高故障診斷和排除的速度對(duì)使用現(xiàn)場(chǎng)總線的生產(chǎn)設(shè)備的正常運(yùn)行關(guān)系極大；而且還在于我國(guó)在應(yīng)用現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)開(kāi)發(fā)控制系統(tǒng)的單位和人員的水平，以及系統(tǒng)的維護(hù)人員的水平參差不齊，有時(shí)候?yàn)榱藟旱统杀净蛘叱３Ｊ菬o(wú)知，沒(méi)有遵照現(xiàn)場(chǎng)總線應(yīng)用和安裝的基本規(guī)范的要求，導(dǎo)致現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的長(zhǎng)期處于非健康的狀況。
據(jù)Profibus國(guó)際組織對(duì)全世界范圍內(nèi)300多個(gè)現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，Profibus-DP故障率最高的5點(diǎn)原因中至少有四方面屬于物理層所產(chǎn)生的問(wèn)題：
未接終端電阻或終端電阻不合要求（物理層）；
動(dòng)力線對(duì)信號(hào)線的影響，如靠得太近（物理層）；
沒(méi)有遵循通信電纜的布線規(guī)則（物理層）；
沒(méi)有遵循通信電纜的布線規(guī)則（物理層）；
組態(tài)出現(xiàn)故障；
接口損壞或采用了未經(jīng)認(rèn)證的接口（物理層）。
這足可為上述物理層診斷的必要性給出佐證。
這足可為上述物理層診斷的必要性給出佐證。
1 現(xiàn)場(chǎng)總線診斷技術(shù)的發(fā)展進(jìn)程
從上世紀(jì)70年代起，現(xiàn)場(chǎng)儀表和控制系統(tǒng)的診斷最初僅僅是一些輸出信號(hào)和I/O狀態(tài)是否正常等簡(jiǎn)單的診斷，之后HART技術(shù)的問(wèn)世為儀表和過(guò)程診斷帶來(lái)了許多新的概念和方法。不過(guò)，限于HART的主從通信機(jī)制及其處理能力和帶寬的限制，致使HART儀表的診斷能力有限，只能發(fā)出診斷報(bào)警，較為詳細(xì)的故障信息還必須由主機(jī)發(fā)出查詢后才可發(fā)出，因此有人將此歸類于所謂“被動(dòng)式診斷”。自從90年代現(xiàn)場(chǎng)總線技術(shù)的發(fā)展，隨之帶來(lái)了較為復(fù)雜的傳感器和過(guò)程診斷的加速，例如對(duì)于FF智能儀表其診斷數(shù)據(jù)是作為設(shè)備反饋信息的一部分不斷地在刷新。直到最近幾年才出現(xiàn)了高級(jí)物理層診斷，整個(gè)系統(tǒng)的監(jiān)控范圍大為擴(kuò)展，不但可以對(duì)故障做出診斷，而且還能夠?qū)δ切┥形窗l(fā)生故障、但有可能發(fā)展為故障的一些問(wèn)題發(fā)出預(yù)警。這就是診斷技術(shù)的進(jìn)展歷程（見(jiàn)圖1）。
圖1現(xiàn)場(chǎng)儀表和系統(tǒng)的診斷技術(shù)的進(jìn)展歷程［1］
與此同時(shí)，無(wú)線技術(shù)的工業(yè)應(yīng)用的迅速發(fā)展，尤其是無(wú)線HART的協(xié)議公布和產(chǎn)品推出，又為HART儀表診斷先進(jìn)、但帶寬受限給出了新的診斷信息的傳送通道。典型的HART儀表包含35～40個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)項(xiàng)，其中有最多可有4個(gè)過(guò)程測(cè)量值，以及儀表設(shè)備專用的診斷信息（如接線故障、電子電路故障、超出測(cè)量范圍等），它們都可以被用來(lái)改善工業(yè)生產(chǎn)的績(jī)效。圖2示出了這個(gè)思路［2］。
圖2 無(wú)線HART為智能HART數(shù)據(jù)給出了新的信傳送通道
近些年來(lái)總部設(shè)在德國(guó)的過(guò)程工業(yè)自動(dòng)化技術(shù)的用戶組織NAMUR十分活躍，提出了許多推薦型技術(shù)文件，受到全球業(yè)內(nèi)人士的重視和推崇。其中《現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的自監(jiān)測(cè)和診斷》（文件號(hào)：NE 207）［3］就是專門(mén)針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)儀表變送器和執(zhí)行器提出的自監(jiān)測(cè)和診斷要求，為發(fā)展現(xiàn)場(chǎng)儀表的診斷技術(shù)給出了指導(dǎo)性的意見(jiàn)。
2 物理層診斷的必要性
當(dāng)決定采用現(xiàn)場(chǎng)總線控制系統(tǒng)的方案后，在施工、調(diào)試投運(yùn)和正式運(yùn)行等各個(gè)階段，都對(duì)其測(cè)試和診斷技術(shù)和工具有迫切的要求。這使現(xiàn)場(chǎng)總線診斷的發(fā)展有了明確的發(fā)展方向。尤其是現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)投運(yùn)以后，不少用戶反映，通信似乎是一個(gè)黑盒子，當(dāng)主系統(tǒng)上指示產(chǎn)生了一個(gè)故障或發(fā)生了一個(gè)報(bào)警事件，常常不知道該如何處理。而實(shí)際上最常見(jiàn)的現(xiàn)場(chǎng)總線問(wèn)題是：從物理層的角度看，現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備不處在通信狀態(tài)，最壞的是某個(gè)設(shè)備周期性的出現(xiàn)不參與通信的情況；從應(yīng)用層的角度看，存在傳輸過(guò)來(lái)的是無(wú)效數(shù)據(jù)（數(shù)據(jù)測(cè)量值未作校驗(yàn)或有問(wèn)題）。有些問(wèn)題如I/O出問(wèn)題可以由現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備本身進(jìn)行診斷。
現(xiàn)場(chǎng)總線的網(wǎng)絡(luò)通信出現(xiàn)故障，可以使用哪些工具或方法來(lái)查找故障呢？
目測(cè)（觀察現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備上的指示燈）是最基本的診斷。以Profibus-DP為例，絕大多數(shù)設(shè)備上有3個(gè)發(fā)光二極管指示燈：ON，BF，SF。這些LED對(duì)維修人員極為重要，通過(guò)它們可以明確判斷設(shè)備的狀態(tài)。不過(guò)，大多數(shù)Profibus-PA儀表沒(méi)有LED指示燈，因?yàn)橛煽偩€供電，要節(jié)省功耗以及考慮防爆的功率限制。
而且這種指示只能告訴用戶發(fā)生了某種故障，常常不能給現(xiàn)場(chǎng)總線的維護(hù)人員指示問(wèn)題究竟出在哪里。最重要的工具當(dāng)然是網(wǎng)絡(luò)分析儀，但這類昂貴的儀器需要較深的專業(yè)知識(shí)，在現(xiàn)場(chǎng)使用頗多不變，因此難以普及。所以發(fā)展更有效的診斷工具就提到了日程上。
從現(xiàn)場(chǎng)總線診斷的視角看，可以將目前在工業(yè)通信中運(yùn)用的現(xiàn)場(chǎng)總線劃分為三大類：①?gòu)淖詣?dòng)化儀表發(fā)展過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線，主要是HART、FF的H1和Profibus-PA；②從PLC的遠(yuǎn)程I/O發(fā)展過(guò)來(lái)的現(xiàn)場(chǎng)總線，主要有Profibus-DP、DeviceNet和CC-Link等，這里又可細(xì)分為基于RS 485的現(xiàn)場(chǎng)總線和基于CAN的現(xiàn)場(chǎng)總線。③專為運(yùn)動(dòng)控制應(yīng)用開(kāi)發(fā)的現(xiàn)場(chǎng)總線，如SERCOS、EtherCAT、PowerLink等。運(yùn)動(dòng)控制用現(xiàn)場(chǎng)總線發(fā)展較晚，目前有關(guān)的診斷工具的開(kāi)發(fā)主要從網(wǎng)絡(luò)分析在發(fā)展，作為診斷工具尚有待于提到議事日程。前兩類現(xiàn)場(chǎng)總線的應(yīng)用都有了很大的范圍，對(duì)診斷的需求呼聲很高，所以近年來(lái)發(fā)展較快。它們的物理層的原理相似，但機(jī)制有較大不同，診斷工具自然不會(huì)一樣。在以下的分析中將把它們分別展開(kāi)。
3 物理層診斷的基本原理和診斷工具
以FF H1和Profibus-PA為例，其物理層由以下部分組成：主干電纜或主連接電纜，分支電纜或儀表連接電纜，端子排，置于主干電纜兩端的終端電阻器，現(xiàn)場(chǎng)總線的電源，設(shè)備接口硬件，故障保護(hù)裝置（如網(wǎng)段保護(hù)器等），現(xiàn)場(chǎng)總線通信的物理學(xué)（如信號(hào)等），圖3給出了物理層的構(gòu)成［2］。
圖3 FF H1和Profibus-PA物理層的構(gòu)成
由此可以推斷，物理層診斷就是將診斷測(cè)試設(shè)備通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線主干電纜與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)直接連接，來(lái)連續(xù)測(cè)試、監(jiān)控和診斷整個(gè)網(wǎng)絡(luò)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)中各個(gè)物理部件的性能是否變壞或偏離，以防止由此引起故障或整個(gè)網(wǎng)段通信中斷。圖4示出在線診斷模塊在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)中的位置。還可以通過(guò)物理層診斷來(lái)證實(shí)網(wǎng)絡(luò)是否符合或一直符合現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)，以及嚴(yán)格的設(shè)計(jì)規(guī)則。
就其功能而言，物理層診斷工具可以分為：①簡(jiǎn)單手持式診斷設(shè)備：離線測(cè)試和初步診斷。②基本在線診斷設(shè)備：可在調(diào)試投運(yùn)時(shí)進(jìn)行初步的故障診斷，并可一直連在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)上以檢測(cè)運(yùn)行時(shí)的故障和查找報(bào)經(jīng)原因。③移動(dòng)式高級(jí)在線診斷設(shè)備：可在調(diào)試投運(yùn)期間，甚至當(dāng)控制系統(tǒng)和相關(guān)的現(xiàn)場(chǎng)總線電源都不能使用時(shí)進(jìn)行高級(jí)測(cè)試，或在運(yùn)行期間作詳細(xì)的故障查找。④高級(jí)在線診斷設(shè)備：可在現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)施工、調(diào)試投運(yùn)和系統(tǒng)測(cè)試時(shí)，查找故障，按用戶定義的方式報(bào)告/制作技術(shù)文檔，以及早期給出故障預(yù)警。該設(shè)備永遠(yuǎn)與現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段相連，并在整個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的生命周期一直在工作。表1給出這四種診斷工具的功能比較表。
圖4 將在線診斷模塊通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)總線主干電纜接入現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)
所謂基本物理層診斷范圍包括DC電壓、DC接地、高頻、數(shù)據(jù)信號(hào)。而高級(jí)物理層診斷范圍：除基本物理層診斷范圍包括的項(xiàng)目外，還能診斷全部波形、AC波動(dòng)情況、連線DC電流、數(shù)據(jù)的極性、AC不平衡和將波形存貯起來(lái)仔細(xì)分析（存貯示波器功能）。采用高級(jí)在線物理層診斷的優(yōu)越性在于可測(cè)試和連續(xù)測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)絡(luò)的通信質(zhì)量，通信電纜的基本設(shè)施狀況，現(xiàn)場(chǎng)總線用的電源、終端器和其他設(shè)備的工作狀態(tài)，網(wǎng)段中所有的電子電路。這樣一來(lái)，對(duì)于用戶而言，現(xiàn)場(chǎng)總線的運(yùn)行狀況是可見(jiàn)的，透明的。一方面可加速調(diào)試運(yùn)行的時(shí)間，并具有自動(dòng)生成技術(shù)文檔的能力。另方面可測(cè)試現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的性能，在控制室內(nèi)通過(guò)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)行狀況的監(jiān)測(cè)，及時(shí)發(fā)現(xiàn)FCS的變化，在現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)存在隱患、有可能對(duì)生產(chǎn)造成不良影響之前，就能發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，及時(shí)排除。
目前已將高級(jí)物理層診斷功能集成到現(xiàn)場(chǎng)總線FF H1的供電電源母版上，這主要是用一個(gè)在線物理層診斷模塊同時(shí)監(jiān)測(cè)幾個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段，可進(jìn)一步降低成本。考慮到診斷性能、設(shè)備的復(fù)雜性和硬件成本的折中，P+F公司的FieldConnex高級(jí)物理層診斷模塊設(shè)計(jì)成一個(gè)模塊可同時(shí)對(duì)4個(gè)網(wǎng)段進(jìn)行診斷，并將它集成到現(xiàn)場(chǎng)總線的供電電源中，作為標(biāo)準(zhǔn)電源產(chǎn)品供貨。近年來(lái)Emerson和橫河等DCS供應(yīng)商與P+F均簽有這方面的技術(shù)轉(zhuǎn)讓協(xié)議。用戶可以直接從這些廠商訂購(gòu)帶高級(jí)物理層診斷的FCS系統(tǒng)。目前物理層高級(jí)在線診斷還僅用于流程工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)總線的FF H1和Profibus-PA，而其他的現(xiàn)場(chǎng)總線診斷大都是移動(dòng)式高級(jí)在線診斷。
表1 四種診斷工具的功能比較表
|
測(cè) 量 |
移動(dòng)式高級(jí)診斷 |
高級(jí)在線診斷 |
手持式現(xiàn)場(chǎng)總 線測(cè)試儀 |
基本在線診斷 |
|
潛在故障早期診斷用所有測(cè)量項(xiàng)目隨時(shí)間的 去世與記錄 |
有 |
有 |
無(wú) |
有（有限） |
| 主干電纜電流測(cè)量 |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 抖動(dòng)測(cè)量 |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 數(shù)據(jù)信號(hào)幅度 |
有 |
有 |
有 |
有 |
| 屏蔽對(duì)信號(hào)±極的AC和DC不平衡（%） |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| ±極間直接短路 |
有 |
有 |
有 |
有 |
|
全頻譜分析 |
有 |
有 |
無(wú)（部分有） |
無(wú)（部分有） |
| 高頻噪聲測(cè)量 |
有 |
有 |
有 |
有 |
|
數(shù)字存貯示波功能 |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 主干電纜電壓測(cè)量 |
有 |
有 |
有 |
有 |
| 高級(jí)軟件分析和硬拷貝打印輸出 |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| ±信號(hào)錯(cuò)誤反接報(bào)警 |
有 |
有 |
無(wú) |
有 |
| 分離型診斷信息總線（任何網(wǎng)段故障不會(huì)影響操作 |
有 |
有 |
有 |
無(wú) |
| 有總線拉出零電流線 |
有 |
有 |
無(wú) |
無(wú) |
| 無(wú)需用電纜或端子盒緊靠終端器或接口 |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
有 |
| 可同時(shí)監(jiān)測(cè)所有網(wǎng)段 |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
有 |
| 從現(xiàn)場(chǎng)總線安裝直到投運(yùn)一直留在現(xiàn)場(chǎng)安裝點(diǎn) |
無(wú) |
有 |
無(wú) |
有 |
4 現(xiàn)場(chǎng)總線可能發(fā)生的故障類型分析
毫無(wú)疑問(wèn)，一個(gè)設(shè)計(jì)得很好又得到很好維護(hù)的現(xiàn)場(chǎng)總線網(wǎng)段，可以運(yùn)行多年而沒(méi)有任何問(wèn)題。但是，就像任何電子系統(tǒng)會(huì)在其生命周期內(nèi)發(fā)生某些不可預(yù)測(cè)的故障一樣，現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)仍然會(huì)在某些網(wǎng)段的某個(gè)點(diǎn)上會(huì)發(fā)生故障。現(xiàn)場(chǎng)總線的故障可能在任意時(shí)間發(fā)展或發(fā)生而毫無(wú)警告。損壞或故障涉及的范圍從一個(gè)不顯著的變化到一個(gè)頗為麻煩的報(bào)警，或一個(gè)致命性的事故。
為了能充分了解現(xiàn)場(chǎng)總線物理層診斷的具體內(nèi)容，下面會(huì)較詳細(xì)地討論在一個(gè)廣泛的范圍內(nèi)可能發(fā)生的故障類型。
· +/-極對(duì)屏蔽的故障（不平衡） 電纜導(dǎo)線的+/-極可能會(huì)與屏蔽接觸產(chǎn)生一個(gè)低電阻，這種故障出現(xiàn)的概率較高，一般都是因?yàn)閷?dǎo)線的終端與儀表的外殼接觸，或是在安裝過(guò)程中電纜受到損壞。但并不是所有的故障會(huì)直接短路或者產(chǎn)生一個(gè)低的接觸電阻，有時(shí)有可能產(chǎn)生一個(gè)電容或高接觸電阻。電纜的安裝走線不良或者電纜的制造缺陷，也有可能導(dǎo)致電纜產(chǎn)生了不可接受的電容不平衡，如果儀表本身也有些不平衡，這就是情況復(fù)雜化了，有時(shí)還可能電纜受潮或不慎受到水浸，使傳導(dǎo)性能變壞。雖然這些問(wèn)題在一段時(shí)間內(nèi)可以容忍，但由此而導(dǎo)致由一般的小問(wèn)題發(fā)展成為故障，例如產(chǎn)生電容對(duì)地短路和一個(gè)極直接對(duì)屏蔽短路。不平衡往往會(huì)使對(duì)噪聲的靈敏度增加，因而提高了通信出錯(cuò)的幾率。
· +極對(duì)-極的故障 這種故障同樣也會(huì)發(fā)生。在主干網(wǎng)電纜中兩極之間的短路是不能容忍的，這會(huì)導(dǎo)致整個(gè)網(wǎng)段出現(xiàn)故障，也有可能并非直接短路，而是呈現(xiàn)一定的電阻，這時(shí)儀表的濾波電容或過(guò)載保護(hù)的半導(dǎo)體器件會(huì)發(fā)生漏電，電纜或接線盒浸水，也會(huì)引起此類故障。
·串線、噪聲和干擾 噪聲會(huì)以多種形式出現(xiàn)，且其會(huì)覆蓋整個(gè)頻譜。如果靠近變頻裝置，或電纜自身受到振動(dòng)，受到電磁干擾，或從鄰近的電纜引來(lái)串線干擾，都會(huì)引發(fā)噪聲。接地回路和接地耦合噪聲會(huì)通過(guò)電纜的屏蔽傳導(dǎo)過(guò)來(lái)，并對(duì)主干電纜和分支電纜產(chǎn)生干擾。事實(shí)上，接地故障常常被認(rèn)為是通信信號(hào)最大的問(wèn)題，是許多禍害問(wèn)題之源。現(xiàn)場(chǎng)總線標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定了從DC到幾十兆赫茲整個(gè)頻譜噪聲電平的限制，最具破壞力是那些在通信帶寬內(nèi)、且電平超過(guò)75mV（峰—峰值）的噪聲。
·終端器故障 簡(jiǎn)單的終端器是公共的故障點(diǎn)。即使是有冗余電源的所謂電子終端器，其實(shí)總是主干電纜的現(xiàn)場(chǎng)側(cè)的單一終端器。終端器的故障是由于終端器的電阻被擊穿至開(kāi)路而引起終端器不齊作用，或者是電阻值降低造成通信信號(hào)的嚴(yán)重畸變。終端器中的電容發(fā)生故障的形式有：開(kāi)路，是終端器失效；短路，導(dǎo)致網(wǎng)段受到致命的沖擊或元器件損壞；電容值向低漂移；電容損壞呈電阻性或彼岸變成導(dǎo)體，以致終端器逐漸失效。
·終端過(guò)載/欠載 現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)可以在一定程度上容忍終端的過(guò)載或欠載，這與網(wǎng)絡(luò)的配置和起始發(fā)出的信號(hào)質(zhì)量有關(guān)。現(xiàn)場(chǎng)總線的電源/電源調(diào)理器，以及設(shè)備的負(fù)載也會(huì)對(duì)此有所影響。在長(zhǎng)主干電纜的終點(diǎn)一旦發(fā)生終端器失效或?yàn)榻尤虢K端器，就會(huì)使通信信號(hào)產(chǎn)生反射，致使信號(hào)畸變。
·現(xiàn)場(chǎng)總線電源漂移或阻抗故障 現(xiàn)場(chǎng)總線電源的無(wú)源阻抗是固定不變的，而其有源阻抗則取決于電容和晶體管，當(dāng)將兩個(gè)現(xiàn)場(chǎng)總線電源配成互為冗余時(shí)，這些元器件會(huì)隨時(shí)間產(chǎn)生漂移或損壞。有源現(xiàn)場(chǎng)總線電源的阻抗發(fā)生漂移或失效，并不一定導(dǎo)致信號(hào)衰減，倒是常常會(huì)使信號(hào)的頂部由平變陡，如果電容過(guò)大，會(huì)使波形的上升沿呈兩段上升折線；如果電感過(guò)大，會(huì)使波形的下降沿沿呈兩段下降折線。信號(hào)的這些畸變首先會(huì)導(dǎo)致“抖動(dòng)”不穩(wěn)定出錯(cuò)，接下去在產(chǎn)生致命性故障前會(huì)引起多次的數(shù)據(jù)重發(fā)。
·水浸入 現(xiàn)場(chǎng)發(fā)生重大故障、接線盒密封失效或者電纜斷裂、折損或滲水，致使通信電纜浸泡在水中，或接線端子排浸在水里，這時(shí)會(huì)造成絕緣受損、導(dǎo)電性顯著增加，或主干電纜的電流改變、對(duì)地泄露，但一般不會(huì)引起噪聲。絕緣受損使得端子之間有導(dǎo)電現(xiàn)象產(chǎn)生，從而發(fā)生電蝕，隨著時(shí)間推移電纜也會(huì)受到電蝕。
·現(xiàn)場(chǎng)總線設(shè)備故障 許多現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備內(nèi)設(shè)有故障切斷電路，就是說(shuō)當(dāng)它檢測(cè)到破壞性的“信號(hào)”會(huì)立即自動(dòng)將設(shè)備從網(wǎng)段中斷開(kāi)。不過(guò)不是所有的問(wèn)題都可以得到保護(hù)，因?yàn)樵诰W(wǎng)段或分支電路上的保護(hù)器能有效動(dòng)作之前有一段時(shí)間，設(shè)備的阻抗就可能發(fā)生漂移至產(chǎn)生破壞性的程度。為使設(shè)備能與主干電纜雙向連接，有些設(shè)備設(shè)有二極管橋路。橋路有可能損壞使阻抗變低，或者發(fā)生短路故障。
·瞬間電壓抑制二極管（TVS）和電涌放電器 為防止電壓瞬間過(guò)載損壞分支保護(hù)器和設(shè)備中的敏感電子元器件，一般總會(huì)在現(xiàn)場(chǎng)總線電源中設(shè)有TSV或電涌放電器。雖然他們能起到保護(hù)作用，但事實(shí)上它們自身又成了一個(gè)公共故障點(diǎn)。TVS是直接扣壓接在主干電纜，其性能的漂移或漏電、甚至可能短路，都有可能造成這些設(shè)備共有的損壞方式。在正常運(yùn)行期間，TVS有可能在沒(méi)有電應(yīng)力和熱應(yīng)力的情況下失效，形成一個(gè)不確定的故障因素。尤其是在受到一次高電壓的浪涌其性能變差，結(jié)果導(dǎo)致漏電或阻抗發(fā)生有問(wèn)題的改變。
·現(xiàn)場(chǎng)總線噪聲濾波電容器問(wèn)題 現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備、現(xiàn)場(chǎng)總線電源和保護(hù)電路通常都用一個(gè)小電容跨接在±極與屏蔽之間，起到噪聲濾波的作用。在一個(gè)網(wǎng)段中要介入好多個(gè)設(shè)備，例如接12個(gè)設(shè)備，就會(huì)接上36個(gè)電容器，故障的可能性就會(huì)大為增加。因?yàn)殡娙萜骺赡荛_(kāi)路、短路或者向低電容值漂移，結(jié)果會(huì)造成不同的作用，某些情況下可能是破壞性的，或者由于沒(méi)有引起注意導(dǎo)致釀成復(fù)合型的故障。
·信號(hào)極性接反 許多設(shè)備是雙極性的，這就是說(shuō)有可能以任意極性與網(wǎng)段相連。然而有些設(shè)備如電源或中繼器是非雙極性的，這樣就有可能發(fā)生意外的極性接反問(wèn)題。這使數(shù)據(jù)信號(hào)反轉(zhuǎn)，在某些時(shí)候系統(tǒng)容忍這種反接，不過(guò)設(shè)備之間的通信就會(huì)出問(wèn)題。如果在安裝和調(diào)試投運(yùn)期間極性接反了，直到正式投產(chǎn)，有可能好多問(wèn)題還難以發(fā)現(xiàn)。
·現(xiàn)場(chǎng)總線供電電源的狀態(tài)正常監(jiān)測(cè)和故障 現(xiàn)場(chǎng)總線電源的輸出電壓可能會(huì)在用了很長(zhǎng)時(shí)間后超出了容許范圍。即使有采用冗余電源，由于或門(mén)二極管短路，或者有一個(gè)電源的內(nèi)阻變低而使輸出變低了等原因，致使兩個(gè)電源中的任一個(gè)發(fā)生故障，都應(yīng)采取緊急措施加以更換。
5 故障檢測(cè)的高級(jí)測(cè)量技術(shù)
要采用一定的測(cè)量技術(shù)才有可能在實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)總線系統(tǒng)的運(yùn)行過(guò)程中及時(shí)檢測(cè)出潛在故障的所在，并判別出其類型，進(jìn)行早期的預(yù)警。
實(shí)際上，可以把上述故障類型檢測(cè)加以一定的分類，例如DC性質(zhì)的故障檢測(cè)、AC性質(zhì)的故障檢測(cè)、信號(hào)電平衰減的故障檢測(cè)、屏蔽對(duì)±極的AC和DC的故障檢測(cè)、噪聲及其干擾的故障檢測(cè)、電源的故障檢測(cè)和信號(hào)極性反接的檢測(cè)等等。
以“DC性質(zhì)的故障檢測(cè)”為例，因?yàn)椴徽撌乾F(xiàn)場(chǎng)設(shè)備噪聲濾波器和二極管橋的DC泄露、TVC的DC泄露、設(shè)備電壓改變的原因推斷、浸水、終端器的DC故障、設(shè)備的電流故障，以及±極之間的DC故障，所有這些可能的問(wèn)題都可以通過(guò)主干電纜中流過(guò)的電流的微小變化和隨著時(shí)間而發(fā)生增量型的變化加以檢測(cè)。相對(duì)于信號(hào)電平的變化來(lái)說(shuō)，主干網(wǎng)的電流變化的檢測(cè)能夠更靈敏的反映問(wèn)題，具有較好的可檢測(cè)性。尤其是對(duì)于還在逐漸變壞著的±極受到水浸故障的早期預(yù)警、終端器中電容的漏電、設(shè)備濾波器電容或二極管橋的漏電、保護(hù)二極管（TVS）的漏電和設(shè)備電流故障或漂移，用主干電纜的電流變化來(lái)檢測(cè)問(wèn)題更為有效。
再如屬于“AC性質(zhì)的故障檢測(cè)”的有TVS和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備阻抗變化、有源電源故障或阻抗故障、終端過(guò)載或欠載、±極之間的AC故障等，抖動(dòng)測(cè)量顯然是用于任意傳送中的AC故障檢測(cè)最重要的測(cè)量方法。因?yàn)槎秳?dòng)測(cè)量忽略特定的或分立的故障如噪聲電平或信號(hào)衰減，而集中于檢測(cè)通信數(shù)據(jù)的精確度，看數(shù)據(jù)的傳輸是否足夠的好。它可檢測(cè)由于網(wǎng)絡(luò)阻抗變化、信號(hào)畸變、網(wǎng)絡(luò)諧振、有源現(xiàn)場(chǎng)總線電源阻抗漂移、終端器電容或電阻漂移、設(shè)備濾波器電容漂移、設(shè)備阻抗故障和全帶寬噪聲的影響等所造成的信號(hào)幅度的變化。噪聲影響或信號(hào)衰減/畸變有時(shí)單獨(dú)尚滿足所求的規(guī)范的限制，不過(guò)合在一起便會(huì)產(chǎn)生故障。如果數(shù)據(jù)信號(hào)存在向故障變化的趨勢(shì)，用較長(zhǎng)的時(shí)間進(jìn)行抖動(dòng)測(cè)量，就可以在發(fā)生數(shù)據(jù)傳輸遭遇破壞前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題信號(hào)電平測(cè)量可以用來(lái)檢測(cè)由于集中有源電源阻抗故障或漂移、電纜衰減、終端過(guò)載/欠載或者設(shè)備阻抗故障所造成衰減。現(xiàn)場(chǎng)總線可以在信號(hào)電平很低的情況下運(yùn)行，但可能造成數(shù)據(jù)丟失，所以在信號(hào)變得低于可接受的電平之前就應(yīng)發(fā)出預(yù)警。將抖動(dòng)測(cè)量與信號(hào)電平測(cè)量組合使用，使我們可以更好地實(shí)現(xiàn)有目標(biāo)的故障診斷。
并不是所有的“屏蔽對(duì)±極的AC和DC故障”都是簡(jiǎn)單的短路，可以將它們視為不同程度的電容性和電阻性故障，由此來(lái)評(píng)定是哪個(gè)極出現(xiàn)問(wèn)題。電容性的故障或不平衡可能是由于現(xiàn)場(chǎng)儀表中的解耦電容器損壞，或者是由于制造中的缺陷致使電纜異常的不平衡，還有可能是安裝問(wèn)題。此外，浸水和現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備噪聲濾波器的電容漂移等，常常是通過(guò)電容檢測(cè)、電阻測(cè)量來(lái)發(fā)現(xiàn)問(wèn)題。對(duì)于那些正在因浸水而緩慢發(fā)展的±極對(duì)屏蔽的可能故障，用這種測(cè)量發(fā)出早期預(yù)警是很有效的。
至于串線干擾、噪聲干擾和電磁干擾，可以用頻帶內(nèi)有害噪聲檢測(cè)，以及全頻譜分析予以檢測(cè)，對(duì)于源于終端器故障、現(xiàn)場(chǎng)總線電源阻抗故障、接地故障、串線、驅(qū)動(dòng)電機(jī)等引起的低頻噪聲，更容易用全頻譜分析方法測(cè)量。
綜上所述可以知道，現(xiàn)場(chǎng)總線的物理層故障檢測(cè)是需要用很多測(cè)量方法來(lái)輔助檢測(cè)、判斷和評(píng)估的。而要把這些方法綜合在一個(gè)故障診斷系統(tǒng)內(nèi)，除了用連接在現(xiàn)場(chǎng)總線主干電纜上的故障診斷模塊或診斷適配器來(lái)采集相關(guān)的信號(hào)和信息而外，很重要的是有一套運(yùn)行于計(jì)算機(jī)中、集合網(wǎng)絡(luò)分析器（檢查通信協(xié)議運(yùn)行質(zhì)量）、示波器（通過(guò)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)行時(shí)測(cè)試數(shù)字通信的波形檢查信號(hào)質(zhì)量，其中包括信號(hào)幅度、反射、噪聲、EMC等在內(nèi)）和生成網(wǎng)絡(luò)故障分析報(bào)告諸功能的軟件。如果這個(gè)診斷系統(tǒng)是專為Profibus-DP設(shè)計(jì)的，那么它還必須是Profibus-DP的主站，具備主站所必需的諸如網(wǎng)絡(luò)組態(tài)、I/O測(cè)試、網(wǎng)絡(luò)掃描及動(dòng)態(tài)清單，以及設(shè)置從站地址等功能。否則就不能進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)總線運(yùn)行時(shí)的在線診斷了。
目前能對(duì)Profibus-DP總線運(yùn)行狀態(tài)進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)、分析和故障診斷，有多家公司的產(chǎn)品，如荷蘭PROCENTEC公司的ProfiTrace2（它包括多個(gè)部件，有ProfiCore適配器、進(jìn)行動(dòng)態(tài)檢測(cè)和分析的ProfiTrace、測(cè)試通信電纜的質(zhì)量、終端電阻的質(zhì)量、電纜短路、接線斷開(kāi)、衰減情況和電纜線接反的ProfiPulse等）；德國(guó)Softing公司的PB-T3型分析儀；德國(guó)ITM/ComSoft公司的IT-Monitor等。
參 考 文 獻(xiàn)
［1］Gunther Rogoll.Ren Kitchener，Advanced Online Physical Layer Diagnostics.P+F White Paper.
［2］A Wireless Way to Unleash the Power of HART Data.Airsprite White Paper. www.airsprite.com.
［3］Self-monitoring and Diagnosis of Field Devices.NAMUR NE 107.
——轉(zhuǎn)自《自動(dòng)化博覽》
北京市公安局海淀分局備案號(hào)：11010802023656號(hào)